用于从单个主致动器驱动多个输出载荷的紧凑的活性材料致动的传动装置

具体实施方式

现在将参照附图，其中视图只是为了图示特定的示例性实施例的目的，且不是为了限制这些实施例的目的，图1显示了从20世纪中叶到20世纪末已经发现的形状记忆合金（SMA）的时间轴。这些合金中的许多种都包括贵金属，或者仅展现作为单晶的有用特性，这些合金不能作为低成本致动装置进行实际使用。一些合金已知为以低成本包括所需的功能。这些合金包括特定的铜合金（CuAlZn）和镍钛基合金，例如，已知为镍钛合金的近等原子比NiTi，以及一些三元合金，例如NiTiCu和NiTiNb。一个特别有用的实施例包括NiTi基SMA，其中NiTi基SMA具有所有已知的多晶SMA的最佳的记忆特性。NiTi族合金可以承受大的应力，并且可以对低周用途恢复接近8%的应变或者对高周用途恢复高达大约2.5%。该应变恢复能力可以使得在设备中能够设计SMA致动装置，该设备需要选择性地将扭矩从转矩产生装置传递到多个输出轴中每一个。

现在参照图2A-2B，其显示了用于SMA的、作为温度的函数的奥氏体-马氏体晶体转变的转换的临界应力的相图。SMA由于在马氏体和奥氏体之间的结晶转换的缘故，从而具有非常大的可恢复应变的特性。结果，SMA是期望的，因为SMA提供了大的形状改变和大的力产生。

参照图2A和图3，SMA行为是由于高对称母相奥氏体10和低对称产物相马氏体12之间的可逆热弹性晶相转换所致。奥氏体10和马氏体12之间的相变是作为应力和温度二者的结果而发生。在应力13下的马氏体相12的形成导致了优选的晶体变化取向的形成，其引起大的诱导应变。

如图3中所示，依赖于温度的应变以加热时的滞后回线14恢复，或者在材料卸载时恢复。该关于可逆且可控的大应变的能力是选择SMA作为控制材料的优势的基础。使用这些材料，能够容易引起大的形状改变。因而，在受限的情况下，能够将大的应力施加到所连接的结构部件。

参照图2B，在静载荷和充分低的温度下，该材料稳定为马氏体12。在充分高的温度下，该材料稳定为奥氏体10。马氏体开始（Ms）和结束（Mf）分别指示了相变至马氏体12的开始和结束的温度。奥氏体开始（As）和结束（Af）分别指示了相变至奥氏体10的开始和结束的温度。在低于Mf的温度时，SMA材料稳定为马氏体12的相。当处于马氏体12的相的SMA材料在恒定的应力下加热时，到奥氏体相10的转变只在温度超过As从而处于第三相20时开始。从该点，该材料逐渐地转变到奥氏体相10，直到该转变在Af时完成。如图2B中所示，在高于Af的温度时，在该静应力22上该材料稳定为奥氏体10的相。但是，如果将充分的载荷24施加到该材料，则可能引起从奥氏体10到拉伸马氏体的固态无扩散转变，由此导致对所述材料的诱导应变。在相同的温度下的随后卸载26期间，该材料回复到奥氏体10，其中所述应变被完全地或者部分地恢复。

参照图4，其根据示例性实施例以三维图的形式显示了SMA线相对于应力（竖直轴线）、应变（水平轴线）和温度（倾斜轴线）的情况。在参考点a和b之间，载荷施加到处于马氏体相的SMA材料，产生应变。当保持于静态温度时，所述材料在参考点b和c之间卸载。参考点a-c之间的加载-卸载循环获得稳定在马氏体相且具有诱导应变的材料。增加所述材料的温度获得在参考点c和d之间的相对静应变。但是，在参考点d和e之间，在材料的特定温度下，应变迅速减小（即恢复），其中发生从马氏体到奥氏体的转变。在参考点f，转变的材料稳定为奥氏体相。在从奥氏体冷却到马氏体时，通常观察到很小的应变或形状改变（如果有的话），除非该材料已经进行很大处理以具有所谓的双向形状记忆效果。使用具有双向形状记忆效果的SMA材料的另一选择涉及使用偏置部件以便在冷却时在材料上引起应变。

参照图8，其以三维图的形式显示了SMA线相对于应力（竖直轴线）、应变（水平轴线）和温度（倾斜轴线）的情况，其中图示了呈现下述两个方面的SMA：在载荷和温度的不同条件下的形状记忆效果和超弹性效果。在参考点f和g之间，将载荷施加到处于奥氏体相的SMA材料，产生参考点f和h之间的应变。在保持在恒定的温度时，所述材料在参考点h和f之间部分卸载，其中诱导应变的主要部分在参考点i和j之间恢复。在仍然保持在恒定的温度时，所述材料在参考点j和f之间完全卸载，其中所述应变在奥氏体相中完全恢复。在参考点f和a之间，SMA材料被冷却至材料特定温度，其中该材料从奥氏体相改变到马氏体相。

现在参照图5，其根据示例性实施例，显示了用于将输出扭矩传递到多个输出轴A、B和C的选择性扭矩传递器28。选择性扭矩传递器28包括扭矩产生装置30和扭矩选择系统32，其中扭矩选择系统32和扭矩产生装置30是机械连通的。扭矩产生装置30（主致动器）进一步包括电动机34和传动轴36。在示例性实施例中，电动机34是DC电动机，具有DC电动机的高起动载荷、低成本和低质量的优点。但是，将理解的是，替代性实施例包括任何能够产生功的主致动器，例如感应电动机、燃气涡轮机、液体涡轮机、气动马达或者液压电动机。传动轴36在电动机34和扭矩选择系统32之间提供机械连通。传动轴36分别包括第一端38和第二端40，其中第一端38可旋转地联接到电动机34，第二端40可旋转地联接到扭矩选择系统32。

根据可替代的实施例且继续参照图5，将理解的是，许多类型的功可以相似地具体化为诸如线性、平移、弧形、剪切和压缩。在整个公开中，为了简洁起见，输出功或者功率将被描述为输出扭矩，但是要理解，可以提供任何类型的输出功或者功率。

扭矩选择系统32进一步包括传动装置42和多个输出轴A、B和C。传动装置42进一步包括输出部件50和多个输出部件54、56和58，其中驱动输入部件50可旋转地联接到传动轴36的第二端40，并且可旋转地联接到输出部件54、56和58。每个输出轴A、B和C均与活性材料致动器44、46和48以及输出部件54、56和48相关联，其中活性材料致动器44与输出轴A和输出部件54相关联；活性材料致动器46与输出轴B和输出部件56相关联；活性材料致动器48与输出轴C和输出部件58相关联。为了简洁，将只描述输出轴A、输出部件54和活性材料致动器44的操作。活性材料致动器46的激活导致输出部件54和输出轴A被联接。尽管输出部件54总是联接到驱动输入部件50，但只当活性材料致动器44被激活时，输出部件54和输出轴A之间的联接提供了从电动机34通到载荷输出A的功率。活性材料致动器44的去活导致输出部件54和输出轴A之间的脱离，其中从电动机34输送到输出轴A的功率被切断。输出轴B和C、输出部件56和58以及活性材料致动器46和48的操作是相同的。在一个示例性实施例中，传动装置42是减速齿轮组。但是，要理解的是，可设想传动装置42的许多可选实施例，包括本领域公知的常见齿轮、齿轮系、行星齿轮组、流体传动装置、连杆机构、带式驱动器和索驱动器，并且本公开并不意图被限制为本文中所描述的特定的示例性实施例。此外，每个输出轴A、B或者C上的齿轮都可以是不同的比或者类型。

上述输出轴是结合了传动装置42和输出齿轮54、56和58来描述的。但是，要理解的是，上述构造是示例性的，且许多构造可以被设想与本文所描述的方法一起使用。为了简洁，可以将输出描述为被选择性地固定到主致动器，但是应理解，齿轮组、分离装置和其它扭矩管理装置都是已知的，并且可以在被驱动的输出和主致动器之间存在。

通过来自控制装置的信号控制这些活性材料致动器。示例性控制模块5被描述为包括至活性材料致动器44、46和48的连接。示例性控制模块5包括通过一个或者多个传感器感测操作环境（包括环境温度、不同的活性材料致动器的状态、主致动器的状态等）的能力，还包括处理器和可存储代码，其包含基于所感测到的或者所推测的/预测的状况来使能、停止或提供任何其它指示给所述致动器的逻辑。

图5描述了三个输出轴，其中所有这三个轴都包括活性材料致动器以单独地选择对各所述轴的接合。但是，要理解的是，使得能够使用活性材料致动器的传动装置或者齿轮箱的构造可以采用许多形式。如此处所描述的，不同齿轮构造的选择性接合可以使得相同输出轴能够进行前向或者反向的选择。要理解的是，相似的齿轮构造的选择能够在电动机和输出轴之间允许不同的齿轮减速系数。例如，这样的构造可以允许在输出轴被唯一启用时，单个轴以最小齿轮减速系数被驱动，但是在额外的输出轴被同时驱动时，具有更大齿轮减速系数的不同齿轮构造可以用于相同的输出轴。相似地，在构造中并非所有的输出轴都需要选择性地致动。例如，在具有输出轴D、E和F的示例性构造中，轴D和E可以选择性地致动，但是轴F可以被固定地连接到所述构造，使得能够进行F、D+F、E+F和D+E+F的致动状态。

控制模块5运行程序以控制系统内的不同致动器。所需的输出轴构造可以由控制模块5监测或者确定。所需的输出轴构造可以基于从所述扭矩产生装置30输入到所述选择性扭矩传递器28的可用功率以及将被传递到所述多个输出轴A、B和C的所需功率而确定。在一个示例性使用中，汽车座位调节可以通过单个控制模块来控制，所述控制模块控制用于三个输出轴的所需输出轴构造，以便控制三个种不同的座位调节，例如包括座位竖直升高、座位基部的前后位置和座位靠背的放倒，其中用于控制三个输出轴从而控制所述三种不同座位调节的所需功率从受益于高起动载荷的DC电动机进行分配。本申请中的控制模块可以监测座位控制输入和/或者可以接收来自车辆中其它地方的座位位置存储器程序的命令。

该控制模块可以通过直接的电路连接与致动器和任何输入装置通信。在可替代的方案中，控制模块可以利用网络装置（例如控制局域网路（CAN））以与其它装置通信。

如此处所使用，控制模块、模块、控制器和相似的术语都包括以下各项的各种组合，即：一个或多个的专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）和相关联的存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节电路和缓冲电路、以及提供所述功能的其它适当的部件。控制模块可以具有一组控制算法，包括驻留软件程序指令和校准，所述驻留软件程序指令和校准存储在存储器中并被执行以提供所需的功能。该算法优选在预设循环周期期间执行。算法通过例如中央处理单元来执行，且可操作以监测来自传感装置和其它网络控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。循环周期可以规则的间隔来执行，例如在运行的发动机和车辆操作期间每3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒。可替代地，可以响应于事件的发生来执行算法。

根据当前描述的实施例，且继续参照图5，将进一步详细描述活性材料致动器44的操作。当致动时，活性材料致动器44在输出轴A和传动装置42的输出齿轮54之间提供可旋转接合。尽管图5显示了三个输出轴和三个对应安置的活性材料致动器，但本发明不限于任何特定数目的输出轴或者活性材料致动器。只要传动轴36上的输出扭矩可以被选择性地利用，则所接合的输出轴A、B和C能够以操作人员所选择的任何组合来同时地接收扭矩。但是，应当理解的是，在多个输出轴A、B和C上所利用的所有功率的总和不可以超过电动机34能够产生的总输出功率。当活性材料致动器44处于“开（on）”位置中时，输出轴A可旋转地接合到传动装置42的输出齿轮54。相似地，当活性材料致动器44处于“关（off）”位置中时，输出轴A与传动装置42的输出齿轮54脱开接合。可替代地，如果应用需要的话，则活性材料致动器44A可以对输出轴A提供“反向”功能。对于将反向功能提供给输出轴A的活性材料致动器44A而言，在传动装置42内将需要额外的齿轮组。相似地，活性材料致动器46和48分别在输出轴B和C与输出齿轮56和58之间提供接合，其中采用了与上文中关于活性材料致动器44所描述的相同方式。在一个示例性实施例中，提供所述致动的活性材料优选是形状记忆合金（SMA）。但是，要理解的是，活性材料的许多替代性实施例包括电活性聚合物（EAP）、压电陶瓷和聚合物、磁致伸缩材料和电致伸缩材料。

现在参照图6A和图6B，其中根据一个示例性实施例，显示和描述了活性材料致动器44的细节图。活性材料致动器44包括：管状壳体60，所述管状壳体60分别具有周向（或圆周的）内表面和外表面62、64；以及接合机构66，接合机构66被包围在壳体60的内表面62内。接合机构66进一步包括活性材料部件68、柱塞臂70、偏置部件72和偏置部件支撑件74。示例性活性材料部件68是恒定横截面的连续的线，并且分别包括凸起部分76和两个扁平终端端部78、80，其中每个端部78和80被弯折到壳体60的内表面64，用于机械锚定和电连接。要理解的是，活性材料部件可以根据所述装置的所需功能以及所述部件所需致动力而以各种形状和构造来使用。活性材料部件68被电联接到电源82，其中活性材料部件68在操作需要使活性材料致动器44处于“开”位置时由电源82初始通电。电源82可以从发电机、电动机或者其组合来提供功率以驱动活性材料部件68，包括来自车辆电气系统或者来自例如电容器组之类的局部存储能量源的功率。活性材料部件68的通电是通过闭合开关84而实现，开关84可以采用任何适当的形式，包括机械的、机电的或者固态的。柱塞臂70包括轴部分86、端杆88和驱动器部分90。端杆88和驱动器部分90位于轴部分86的相对端上。端杆88垂直于轴部分86延伸且机械地联接到活性材料部件68，其中端杆88的顶面92与活性材料部件68的凸起部分76接触。柱塞臂70的驱动器部分90被构造成当活性材料致动器44处于“开”位置时驱动滑键94，以便将输出轴A接合到齿轮箱42的输出齿轮54。相似地，当活性材料致动器44处于“关”位置时，偏置部件72缩回柱塞臂70，其中柱塞臂70的驱动器部分90被构造成拉动滑键94，以使输出轴A与传动装置42的输出齿轮54脱离接合。可替代地，活性材料致动器44可以被构造成在活性材料致动器44处于“关”位置时，将输出轴A接合到传动装置42的输出齿轮54。要理解的是，滑键94可以被用作能够在输出轴和输出齿轮之间提供接合的任何锁定特征。偏置部件72位于偏置部件支撑件74和柱塞臂70的端杆88之间，其中偏置部件72的第一端96与端杆88的底面96接触，偏置部件72的第二端98与偏置部件支撑件74的顶面100接触。如图6A、图6B中所示，偏置部件72构造成抵靠柱塞臂70的端杆88施加向上的偏置力102，并由此朝向活性材料部件68偏置所述柱塞臂70，其中端杆88和活性材料部件68机械地联接。应当理解的是，由于需要使活性材料部件68与活性材料致动器44的其余部分电绝缘，所以端杆88和活性材料部件68不需要处于直接的物理接触。偏置部件支撑件74是固定的且安装到壳体60的内表面64。偏置部件支撑件74进一步包括通过其轴向中心的孔，所述孔构造成允许柱塞臂70在致动位置和非致动位置期间自由地滑动。相似地，活性材料致动器46和48的特征和操作相对于如上所述的活性材料致动器44是相同的。要理解的是，图6A和图6B的致动器是SMA致动器可以采用的示例性实施例，并且本公开不限于该特定的示例性实施例。

参照图5和图6A，活性材料致动器44处于非致动位置中。如上所述，当活性材料致动器处于“关”位置时，输出轴A与输出齿轮54脱离接合。如图6A中所示，开关84打开，因此，活性材料部件68在马氏体相中以更冷的温度断电。应当理解的是，活性材料部件68是SMA材料，其中SMA材料被选择成使得活性材料致动器44的环境温度或者操作温度小于SMA的As温度。因此，当活性材料部件68未电加热时，其保持在马氏体相中，并且被保护从而免受由于操作温度的升高而引起的意外致动。接着，偏置部件72将偏置力102施加到柱塞臂70，其中柱塞臂70的端杆88的顶面92抵靠活性材料部件68的凸起部分76施加应力或者载荷。抵靠着活性材料68所施加的应力施加了应变并由此使活性材料部件68变形。当活性材料致动器44未被致动时，偏置部件72使柱塞臂70缩回，其中柱塞臂70的驱动器部分90被构造成拉动滑键94，以使输出轴A与传动装置42的输出齿轮54脱离接合。相似地，活性材料致动器46和48的特征和操作关于如上所述的活性材料致动器44是相同的。

现在参照图7A，其示出了根据本实施例的、当活性材料致动器44未被致动时与输出齿轮54脱离接合的输出轴A的细节图。输出轴A包括键轨104，其中联接到柱塞臂70的驱动部分90的滑键94在通过柱塞臂70进行运动时自由滑动。输出齿轮54包括键槽106，所述键槽106被构造成容纳滑键94，其中滑键94和键槽106之间的接合提供了输出轴A和输出齿轮54之间的接合。当活性材料部件44未被致动时，偏置部件沿着箭头的方向施加偏置力102，并且由此使键94沿着键轨104从输出齿轮54的键槽106滑离。当活性材料致动器44未被致动时，从电动机34的传动轴36所提供的扭矩旋转输出齿轮54，但是不驱动输出轴A，因为输出轴A与输出齿轮54脱离接合。相似地，当活性材料致动器46和48未被致动时，输出轴B和C与输出齿轮56和58脱离接合，以与如上所述的输出轴A相同的方式操作。

参照图5和图6B，活性材料致动器44的选择性操作处于致动位置。如图5中所示，致动位置指的是活性材料致动器44在“开”位置中选择性地接合至输出轴A。如图6B中所示，闭合开关84，因此对活性材料部件68通电。由电池82提供的能量增加了活性材料部件68的温度，其中温度增加使活性材料部件68从马氏体相转变成奥氏体相。如前所描述，马氏体到奥氏体的转变伴随着力的产生，该力进行作用以便使在马氏体相中施加到活性材料部件68上的应变恢复。该应变恢复和在活性材料部件68中产生的对应的力克服了偏置力102，并且使柱塞臂70沿致动箭头108的方向滑动，其中当所述活性材料致动器44被致动时，柱塞臂70的驱动器部分90驱动滑键94，以将输出轴A接合到输出齿轮54。端杆88的顶面92和活性材料部件68的凸起76保持机械连通。相似地，活性材料致动器46和48的特征和操作相对于如上所述的活性材料致动器44是相同的。

现在参照图7B，其示出了根据本实施例的、在活性材料致动器44被致动时接合到传动装置42的输出齿轮54的输出轴A的细节图。滑键94和输出齿轮54的键槽106之间的接合在输出轴A和输出齿轮54之间提供了接合。当致动活性材料部件68时，由活性材料部件68从马氏体转变到奥氏体所提供的应变恢复克服了力102，其中偏置部件72作用在柱塞臂70上。滑键94被柱塞臂70在致动箭头108的方向上沿着键轨104驱动，其中滑键94被输出齿轮54的键槽106所接收。当滑键94被输出齿轮54的键槽106接收时，输出轴A接合到输出齿轮54。当致动活性材料并由此在输出轴A和输出齿轮54之间提供接合时，从电动机的传动轴所提供的扭矩被选择性致动的输出轴A所利用。相似地，当活性材料致动器46和48被致动时，接合到输出齿轮56和58的输出轴B和C以与如上所述的输出轴A相同的方式来操作。

参照图7C，在本发明的替代性实施例中，可释放的锁定机构110被提供和构造为一旦建立接合时，就将滑键94联接到输出轴A。可释放锁定机构110锁定接合到输出齿轮54的输出轴A，其中偏置力102将不影响柱塞臂70上的运动。此外，由可释放锁定机构110所提供的锁定接合允许活性材料致动器44被切换到“关”位置并断电。当不再需要至输出轴A的被选择扭矩时，可释放锁定机构110将被释放，并使输出轴A与输出齿轮54脱离接合，其中由偏置部件72所提供的偏置力102使柱塞臂70运动到未被致动的位置。普通技术人员将理解的是，可释放锁定机构110包括这样的益处，即：只通过使用活性材料作为致动接合的方法，而通过可释放锁定机构来保持接合，从而延长了活性材料机构的使用寿命。

在可替代的实施例中，可释放锁定机构110可以结合到活性材料致动器44上。例如，当活性材料致动器44被致动或者处于“开”位置中时，可释放锁定机构110可以机械地联接到柱塞臂70的端杆88，而在活性材料致动器44未被致动时，则将柱塞臂70保持在该位置中。单独的致动器可以被结合以被致动，从而使所述锁定机构110脱离接合。所述锁定机构可以弹簧（或弹性件）加载的并且具有楔形部分，其中当活性材料致动器44被致动时，端杆88在楔形部分的渐缩部分上滑动。当端杆88落到楔形部分的渐缩端之上时，柱塞臂70锁定到位置上。由此，需要辅助的解锁致动器来克服锁定机构110的偏置部件72的力，以缩回楔形部分和允许偏置部件72将柱塞臂70缩回。

现在参照图9A和图9B，其中根据提供平移力的主致动器的可选实施例，描述了用于将平移输入122分配到多个输出销Y和Z的平移力分配器120。平移主致动器120包括输入销X和输出销Y和Z，其中输入销X包括输入槽126、124，输出销Y和Z包括相应的活性材料致动器144、146。当活性材料致动器144被致动时，当输入槽126与活性材料致动器144对准且联接到活性材料致动器144的机械联接特征123被活性材料致动器144移动以部分与输入销X交搭时，在输入销X和输出销Y之间提供接合，由此分别机械地联接输入销和输出销X、Y。相似地，当活性材料致动器146被致动时，当输入槽124与活性材料致动器146对准且联接到活性材料致动器146的机械联接特征125被活性材料致动器146移动以部分与输入销X交搭时，在输入销X和输出销Z之间提供接合，由此分别联接输入销和输出销X、Z。

参照图9A，输入销X如箭头128所示那样被卸载，且因此输入销Y和Z分别如箭头130、132所示那样被卸载。另外，若活性材料致动器144、146未被致动，则因此，在输入销X和输出销Y之间或者输入销X和输出销Z之间不提供接合。

参照图9B，在非限定示例中，平移输入122被施加到输入销X。在使用该系统之前，输入销X的槽126与输出销Y的活性材料致动器144对准。参照箭头150，当活性材料致动器144被致动时，该活性材料致动器由此在输入销X和输出销Y之间相应地提供接合，如上所述。当输入销和输出销X、Y被分别接合时，此后至输入销X的平移输入122与输出销Y共享，由箭头230表示。但是，输入销X没有与输出销Z机械地联接。因为输入销X和输出销Z未相应地接合，所以施加到输入销X的平移输入122不与输出销Z共享，由箭头132表示。应当理解的是，输入销上的槽以及输出销上的致动器都能够以提供了从输入销到一个或多个输出销的平移载荷的任何构造来对准和布置。此外，在其它构造中，输入销可以包含额外的槽，且输出销均可以包含多于一个的活性材料致动器。

本公开已经描述特定的优选实施例及其修改。在阅读和理解了本说明书后，他人可以进行进一步的修改和变型。因此，本公开不限于作为设想用于实现本公开的最佳模式而公开的特定的实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围之内的所有实施例。